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Schattenwurf einer Pyramide

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Inhaltsverzeichnis

Motivation:

Die 3D-Software Archimedes Geo3D kann zur Erstellung von dreidimensionalen Modellen eingesetzt werden. Dabei besteht die Herausforderung darin, die Natur möglichst getreu darzustellen, wobei jede Konstruktion immer nur als Näherung beziehungsweise Idealisierung zu betrachten ist. Das hier vorgestellte Modell soll die Möglichkeit den Schattenverlauf einer Pyramide mit Archimedes Geo3D zu modellieren aufzeigen.


Zum Modell:

Das Modell beruht auf geometrische Überlegungen.

Sowohl die Breite als auch die Höhe der Pyramide lassen sich variieren. Die Pyramidenhöhe kann durch den Schieberegler "Pyramidenhöhe" variiert werden, die Pyramidenbreite durch Verschiebung des Punktes B entlang einer Geraden.

Mit Hilfe zweier Schieberegler lässt sich zum einen der Breitengrad des Pyramidenortes als auch die Jahreszeit verändern. Ein Schieberegler konnte nur bis 360 eingestellt werden. Da das Jahr mit 365 Tagen angenommen wurde, läuft der Schieberegler „Jahresverlauf“ von 0 bis 36,5. "0" steht dabei für den Tag der Sommersonnenwende. Um den Jahrestag zu berechnen, muss die angezeigte Zahl mit 10 multipliziert werden.

Der Tagesverlauf kann variiert werden, in dem der Punkt P verschoben wird.


Bezug zum Lehrplan:

Im Lehrplan wird die Idee des räumlichen Strukturierens aufgegriffen. Dabei geht es darum, dass Objekte im Raum, wie zum Beispiel Punkte, Geraden, Ebenen und Vielecke untersucht, theoretisch beschrieben und idealisiert werden. Die dreidimensionale „euklidische Raumanschauung“ ist für Schülerinnen und Schüler nicht selbstverständlich, sondern muss entwickelt werden. Dies kann „mit der Wahrnehmung und der dreidimensionalen Deutung der Umwelt“(Ministerium für Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen, S.8), sowie durch gestalterische Aktivitäten geschehen. Dabei kann sich laut Lehrplan die „Raumanschauung und die Fähigkeit zum räumlichen Strukturieren […] nur im Anschauungsraum entfalten“ (Ministerium für Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen, S.9).

Den Anschauungsraum des Modells liefert die Software Archimedes Geo3D. Indem die Schülerinnen und Schüler sich überlegen müssen, wie ein Schatten entsteht, müssen sie ihre Umwelt wahrnehmen und deuten. Durch die gestalterische Konstruktion des Schattens entwickeln sie eine dreidimensionale Raumanschauung. Für die Konstruktion stehen verschiedene Objekte wie Punkte, Geraden, Ebenen etc. zur Verfügung.


Notwendige Voraussetzungen:

Für die Bearbeitung der gestellten Aufgabe müssen die Schülerinnen und Schüler sich in das bereits erstellte Modell hineindenken und es fortsetzen können. Dafür ist es notwendig, dass sie Wissen, wie ein Schatten entsteht. Es wird nicht nur vorausgesetzt, dass sie mit der Software Archimedes Geo3D vertraut sind, sondern auch, dass sie fähig sind, die Natur mit Hilfe von den ihnen zur Verfügung stehenden Objekten zu konstruieren. Für die Konstruktion ist es nicht notwendig, mathematische Rechenkenntnisse im Bereich der Algebra zu besitzen. Die Grundbegriffe wie Ebene, Vektor etc. sowie der Umgang mit diesen Objekten sollte bekannt sein, um mit dem Programm arbeiten zu können.


Aufgaben:

Stift.gif   Aufgabe

1.) Lade dir folgende Datei herunter: Geogebra.svg Aufgabenmodell. Das dir vorliegende Modell wurde vom Ursprung aus konstruiert, das heißt, dass der Punkt P die Richtung darstellt, in der die Sonne vom Koordinatenursprung aus zu sehen ist. Deine Aufgabe ist es nun, den Schatten der Pyramide einzubauen. Die Sonnenstrahlen werden dabei als Parallelstrahlen betrachtet.

2.) Was für Grenzen hat das Modell?

3.) Ein Beispiel: Paris liegt auf dem 48° Breitengrad. Die Glaspyramide im Innenhof des Louvre, ein Wahrzeichen der Stadt Paris, hat eine Höhe von 21,65 m und eine Seitenlänge von 35 m. Simuliere ihren Schattenverlauf an einem Tag im Sommer und an einem Tag im Winter. 1 Längeneinheit steht dabei für 10 m.

Lösung der Aufgaben:


Reflektion des Einsatzes digitaler Werkzeuge:

Die offene Aufgabenstellung des Modellierens bietet den Schülerinnen und Schüler viel Platz, ihr Wissen in die Lösung einzubauen. Das Programm bietet eine Möglichkeit des Ausprobierens und der Anschauung, die ohne Computersoftware nur schwer umzusetzen ist. Leider ist die komplette Konstruktion eines Schattenmodells für die Schule viel zu Zeitaufwendig.


Literatur:

Ministerium für Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen: Richtlinien und Lehrpläne für die Sekundarstufe II – Gymnasium/Gesamtschule in Nordrhein-Westfalen – Mathematik. Frechen: Ritterbach Verlag, 1999.